崔清章顧德富張　玉（-上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心　上?！?0438　-上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

汽油機(jī)節(jié)氣門結(jié)冰機(jī)理的試驗(yàn)研究

崔清章1顧德富1張玉2
（1-上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心上海2004382-上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

摘要：借助于環(huán)境艙，模擬冬季嚴(yán)寒地區(qū)運(yùn)行條件，進(jìn)行了某車型的冬季車輛汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門結(jié)冰機(jī)理的試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：冬季車輛運(yùn)行期間，來自油氣分離器的水蒸氣在進(jìn)氣歧管內(nèi)遇冷凝結(jié)成霜凍，聚集在部分負(fù)荷呼吸管進(jìn)口周圍并散布在附近歧管內(nèi)壁面；停車后，來自缸內(nèi)的高溫輻射和熱傳導(dǎo)短期內(nèi)快速推升進(jìn)氣歧管內(nèi)溫度致霜凍化水滴動(dòng)，最終匯聚在下置式節(jié)氣門體閥板后部區(qū)域，低溫下持續(xù)一段時(shí)間后在節(jié)氣門閥板周邊結(jié)冰。導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)，節(jié)氣門閥板因遇阻不能隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行指令動(dòng)作，達(dá)不到目標(biāo)位置，形成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致車輛進(jìn)入節(jié)氣門斷電跛行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī)節(jié)氣門結(jié)冰機(jī)理試驗(yàn)研究

引言

冬季嚴(yán)寒地區(qū)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門結(jié)冰是一個(gè)常見現(xiàn)象[1-2]，但其結(jié)冰機(jī)理尚不清楚。多數(shù)工程技術(shù)人員認(rèn)為，對(duì)節(jié)氣門體進(jìn)行加熱保溫是避免節(jié)氣門閥板因結(jié)冰不能隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行指令動(dòng)作導(dǎo)致車輛運(yùn)行故障的有效方法[2]。因此，國內(nèi)外工程技術(shù)人員進(jìn)行了各種節(jié)氣門體加熱保溫的工程方案研究，如在節(jié)氣門體上布置加熱水道、在節(jié)氣門體上布置加熱阻抗等，利用熱能或電能進(jìn)行加熱保溫，以保證節(jié)氣門閥板依發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行指令自如隨動(dòng)。

但以上工程方案都需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體布置作較大的結(jié)構(gòu)與配置變動(dòng)，除帶來不可避免的成本增加外，也因?yàn)榧訜崴璧臒崮芑螂娔苤С?，?duì)車輛運(yùn)行的可靠性帶來苛刻的要求。

本項(xiàng)目是要通過試驗(yàn)研究探索汽油機(jī)節(jié)氣門結(jié)冰的機(jī)理，為進(jìn)一步研究有針對(duì)性的采用物理結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方案從源頭上遏止冬季嚴(yán)寒地區(qū)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門結(jié)冰這一常見現(xiàn)象提供技術(shù)支持[3-4]。

1　試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)裝置

1.1.1某車型的節(jié)氣門布置

某車型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門布置如圖1所示：發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上為前縱置布置，節(jié)氣門下置，即節(jié)氣門體位于發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)進(jìn)氣歧管的底部。油氣分離器的部分負(fù)荷呼吸管在進(jìn)氣歧管的上部、節(jié)氣門的正上方。整個(gè)節(jié)氣門前端面對(duì)前格柵，迎面風(fēng)可直接吹到節(jié)氣門體。

圖1 節(jié)氣門布置

1.1.2設(shè)備儀器

環(huán)境艙：整個(gè)試驗(yàn)被布置在低溫轉(zhuǎn)轂環(huán)境艙中進(jìn)行，如圖2所示。環(huán)境條件為溫度-40℃~60℃間可調(diào)，濕度30%，通過試驗(yàn)室的控制臺(tái)可較容易地控制環(huán)境艙內(nèi)的溫度達(dá)到試驗(yàn)所需的環(huán)境溫度。整車前面另布置有鼓風(fēng)機(jī)，可使整車本體、水溫、油溫快速降低。

轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)：整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)型號(hào)為AIPCDM-48L-4WD，電慣量加載。通過控制臺(tái)可模擬整車試驗(yàn)工況，對(duì)整車施加載荷。環(huán)境艙布局如圖2所示[3]。

圖2　低溫轉(zhuǎn)轂測功環(huán)境艙

內(nèi)窺鏡：內(nèi)窺鏡型號(hào)：ilplex，如圖3所示。用于整車停車后，節(jié)氣門閥板周邊、歧管內(nèi)壁、部分負(fù)荷呼吸管附近的結(jié)冰狀況觀察。

溫度測量裝置：K型熱電偶，型號(hào)TT-K-24-SLE，量程為；-267°~260°。

溫度讀取裝置：型號(hào)ETAS650，如圖4所示。

圖3　ilp lex型內(nèi)窺鏡

圖4　ETAS650溫度讀取裝置

1.2試驗(yàn)方法

為了進(jìn)一步研究整車運(yùn)行過程中節(jié)氣門閥板、進(jìn)氣歧管內(nèi)結(jié)冰形成的過程、機(jī)理，在環(huán)境艙內(nèi)安排了整車試驗(yàn)，以記錄模擬冬季低溫行車過程中進(jìn)氣歧管內(nèi)、節(jié)氣門體溫度的變化，冰層形成、累積的過程。

1.2.1試驗(yàn)工況

試驗(yàn)在冷庫的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，冷庫中的環(huán)境溫度設(shè)定為-30℃。試驗(yàn)開始前，整車?yán)鋬鰰r(shí)間大于16 h，以使整車的本體溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、機(jī)油溫度與環(huán)境溫度相同。

為確保油氣分離器的廢氣經(jīng)部分負(fù)荷呼吸管進(jìn)入進(jìn)氣歧管內(nèi)，更易捕捉到節(jié)氣門的結(jié)冰過程，整車試驗(yàn)工況以低速低負(fù)荷為主：

工況1：整車以小于30 km/h的速度行駛15 km；

工況2：整車以怠速運(yùn)行+40 km/h勻速交替行駛20 km。

整車以運(yùn)行工況1+工況2為一個(gè)工作循環(huán)。

1.2.2溫度測點(diǎn)布置

圖5溫度測點(diǎn)布置

如圖5所示，測點(diǎn)1的熱電偶通過碳罐電磁閥管路的入口布置在進(jìn)氣歧管內(nèi)部；測點(diǎn)2的熱電偶布置在節(jié)氣門體外側(cè)。試驗(yàn)過程中通過ETAS650讀取測點(diǎn)溫度。

1.2.3結(jié)冰狀況采集

整車試驗(yàn)循環(huán)運(yùn)行結(jié)束停車后，拔除部分負(fù)荷呼吸管。將內(nèi)窺鏡的探頭通過部分負(fù)荷呼吸管接口處伸到進(jìn)氣歧管內(nèi)部，對(duì)進(jìn)氣歧管內(nèi)壁面、節(jié)氣門閥板處的結(jié)冰情況進(jìn)行觀察、拍照。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)整車在極低的環(huán)境溫度運(yùn)行時(shí)，含有水蒸氣的高溫油氣通過部分負(fù)荷呼吸管進(jìn)入進(jìn)氣歧管內(nèi)部。高溫油氣與由節(jié)氣門進(jìn)入的冷空氣進(jìn)行交匯，水蒸氣冷凝形成較松散的霜凍附著在歧管內(nèi)壁、節(jié)氣門閥板上。停車后，這部分霜凍在經(jīng)歷一個(gè)融化再重新凝結(jié)的過程后，重新凝結(jié)的冰層基本集中在節(jié)氣門閥板附近，且冰層相較于初期松散的霜凍更趨于凝實(shí)。

2.1停車初期

圖6是整車停車后5min內(nèi)拍攝的部分負(fù)荷呼吸管入口處、進(jìn)氣歧管支管入口、節(jié)氣門閥板處的照片。

圖6　停車初期霜凍狀況

整車運(yùn)行過程中，冷凝形成的松散霜凍會(huì)分散在部分負(fù)荷呼吸管入口、進(jìn)氣歧管的支管入口、節(jié)氣門閥板處。部分負(fù)荷呼吸管入口有結(jié)冰附著，造成入口截面積減?。恢Ч苋肟谔幍乃獌鰧右越咏糠重?fù)荷呼吸管入口的第二、第三缸處較厚，尤以部分負(fù)荷呼吸管入口附近的霜凍為多。

2.2停車后期

圖7是整車停車后50min時(shí)，拍攝的進(jìn)氣歧管支管入口處、節(jié)氣門閥板處的照片。

圖7　停車后期結(jié)冰狀況

部分負(fù)荷呼吸管入口處的冰層部分融化，進(jìn)氣歧管支管入口的霜凍呈現(xiàn)融化流淌狀態(tài)，由于節(jié)氣門的位置在進(jìn)氣歧管的最低位置，因此霜凍融化后流向節(jié)氣門，流動(dòng)過程中有部分凝結(jié)在節(jié)氣門安裝接合面處及節(jié)氣門閥板上。

3　結(jié)冰過程與分析

圖8描述的是環(huán)境溫度為-30℃的情況下，停車后，歧管內(nèi)的溫度、節(jié)氣門體的溫度隨時(shí)間的變化曲線。

從圖中可以看出：

圖8　歧管內(nèi)、節(jié)氣門體溫升變化曲線

1）整車停車后，由于氣缸高溫輻射及缸內(nèi)殘余高溫氣體通過打開的氣門經(jīng)氣道竄流到進(jìn)氣歧管內(nèi)，導(dǎo)致歧管內(nèi)的溫度短時(shí)間內(nèi)快速上升，經(jīng)檢測到的數(shù)據(jù)顯示，3min之內(nèi)就可上升到0℃以上；且在以上熱輻射和熱傳導(dǎo)因素的作用下，歧管內(nèi)的溫度在0℃以上的時(shí)間可保持約80min。

2）節(jié)氣門體由于遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)本體和低溫環(huán)境的雙層作用，溫度上升緩慢，且整個(gè)試驗(yàn)過程中的溫度始終維持在0℃以下。

因此，在整車停車期間，初期歧管內(nèi)的溫度快速上升，導(dǎo)致部分霜凍快速融化滴動(dòng)，后期歧管內(nèi)的溫度逐漸下降，霜凍融化的速度下降，并在流動(dòng)的過程中重新凝結(jié)。在此過程中，由于節(jié)氣門體溫度一直保持在0℃以下，且節(jié)氣門體處于整個(gè)流路的較低位置，使融水更易匯聚凝結(jié)在關(guān)閉狀態(tài)下的節(jié)氣門閥板處。

4　結(jié)論

1）整車在低溫的環(huán)境下行駛時(shí)，來自部分負(fù)荷呼吸管的水汽在與低溫進(jìn)氣交匯后會(huì)凝結(jié)在進(jìn)氣歧管內(nèi)壁、節(jié)氣門閥板附近。其中支管入口處的霜凍層以接近部分負(fù)荷呼吸管入口的第二、第三缸處較厚，尤以部分負(fù)荷呼吸管入口處的霜凍為多。

2）整車停止行駛后，進(jìn)氣歧管內(nèi)的溫度會(huì)經(jīng)歷一個(gè)先期急劇上升，后緩慢下降的過程，節(jié)氣門體的溫度則一直維持在0℃以下。這種現(xiàn)象極易引起霜凍在進(jìn)氣歧管內(nèi)部融化、流動(dòng)并重新凍結(jié)。

3）當(dāng)節(jié)氣門布置在進(jìn)氣歧管的最低位置時(shí)，每次停車后霜凍融化的冰水都會(huì)流向節(jié)氣門，極易造成冰層在節(jié)氣門閥板處的累積。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)阻礙節(jié)氣門的動(dòng)作，導(dǎo)致整車故障。

4）從物理結(jié)構(gòu)上遏制冬季嚴(yán)寒地區(qū)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門結(jié)冰的主要因素為：負(fù)荷呼吸管和節(jié)氣門體在進(jìn)氣歧管上的布置要合理；避免發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)在整車機(jī)艙內(nèi)迎風(fēng)布置；節(jié)氣門避免布置在進(jìn)氣歧管的最低位置以避免霜凍化水在節(jié)氣門閥板周邊匯聚等。

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中圖分類號(hào)：TK413.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8234（2015）05-0063-04

收稿日期：（2015-06-30）

作者簡介：崔清章（1978-），男，工程師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)開發(fā)與應(yīng)用。

A Study on Icing Processon Gasoline Engine Throttle

CuiQingzhang1,Gu Defu1,Zhang Yu2
1-SAICMotor Commercial Vehicle Technical Center(Shanghai,200438,China)
2-SAICMotor TechnicalCenter

Abstract：Based on environmental chamber,we have studied the icing mechanism on gasoline engine throttle of a certain car model in cold areas in winter.The result indicates thatwater vapor from oil-gas separator is condensed into frost for the cold air in the intakemanifold,then gathers around the imports of part load breathing pipes and scatters on the internal face of nearby intakemanifold;when parking,the temperature in the intake manifold rises rapidly for the radiation and heat-exchange of the hightemperaturegas in the cylinder,and subsequently the frostmelts intowater,flowing to down-setting throttle back at last.However,the water is frozen into the ice by the throttle-valve again at a low temperature for some time.The throttle-valve cannot reach the targetposition following theengine's instructions becauseof the block of ice by the throttle-valve when the engine starts up or works,which results in engine-speed fluctuation and even theenginewill limp home in severe situations.

Keywords：Gasoline engine,Throttle,Icingmechanism,Experimental study